一种机轮侧滑速度的估算方法
【专利摘要】一种机轮侧滑速度的估算方法。通过对机轮机轮径向和侧向刚度相关的结构和力学参数测试，当机轮处于自由滚转时若受到侧向力但却机轮没有发生打滑时，根据飞机或者机动车的前向速度、机轮所受到的径向载荷和侧向载荷，得到机轮没有打滑时在各种工况下相对地面的侧滑速度，据此进行飞机或者机动车的侧滑特性以及侧向稳定性分析和研究，评价飞机及机动车的地面机动特性。本发明得到的机轮侧滑速度估算方法与实际应用情况相当接近，具有很大的实用价值和普遍的适用性，可用于对飞机及机动车地面侧滑特性及侧向稳定性进行分析和研究，促进机轮刹车控制技术的进步。
【专利说明】
一种机轮侧滑速度的估算方法
技术领域
[0001] 本发明涉及刹车系统控制技术领域，具体是一种轮胎在地面侧滑速度的估算方 法，用于对防滑刹车系统的侧滑特性进行仿真计算和评估。
【背景技术】
[0002] 常见汽车或者飞机的刹车系统，不仅要对刹车距离和刹车工作效率要有明确的要 求，而且还不能让驾驶员失去对方向的控制，这对驾驶员和机动车或者飞机的安全至关重 要，因为在制动过程中，轮胎受力状况非常复杂多变，除了刹车所需的制动力外，还免不了 要承受一定的侧向力，以保持对方向的控制，而轮胎在整个刹车和转弯过程中，在地面上产 生侧滑的速度计算就显得非常重要，必须进行准确的评估和计算，以衡量机动车或者飞机 的地面操控能力。
[0003] 与刹车过程中所产生的制动力一样，轮胎所能产生的侧向力也是有限度的，而且 它会随着道面的质地和状态、轮胎的材料特性、花纹、充气压力和表面温度、机轮的转速和 受到的径向载荷、纵向载荷、水平扭矩等要素而发生变化，轮胎在不同状况下的侧向力极限 值能够利用专用的试验设备进行测试得到。当轮胎受到的侧向力超出它所能承受的最大极 限时，轮胎会发生侧向打滑，侧向的摩擦系数急剧下降，给机动车或者飞机带来安全隐患。 当机轮同时受到制动力和侧向力的综合作用时，在典型的地面和机轮条件下，地面所能提 供给轮胎的摩擦系数曲线如图1所示，图中的横坐标代表轮胎的滑移率s，纵坐标代表地面 提供给轮胎的摩擦系数μ，曲线1代表轮胎的纵向摩擦系数，即刹车滚转过程中所受到的阻 力摩擦系数，曲线2代表机轮在这种滚转条件下地面所能提供的最大侧向摩擦系数，因为侧 向摩擦力是个被动的作用力，具体在每个时刻所产生的摩擦系数取决于主动作用于轮胎上 的侧向力。
[0004] 机轮受到径向载荷且纵向处于自由滚动状态时，机轮与地面的接触面如图2所示， 机轮受地面的支撑载荷Fz的作用，产生压缩量δ，机轮轴心到地面的高度由 r变为h，机轮自 由滚动时对应于机轮滚动半径的轮胎与地面接触域的纵向长度为a。
[0005] 当机轮受径向载荷作用且在纵向处于自由滚动状态，此时若受到侧向联合载荷 时，轮胎会向侧面产生滑移，并且径向力的中心点相对机轮的中心平面会发生一定的偏移， 如图3所示，假设偏移量为λ。
[0006] 本发明重点讨论轮胎在没有发生打滑状态下，即轮胎还处于弹性变形阶段时，受 侧向力的影响而产生的侧滑速度的估算方法。
[0007] 目前，对飞机的地面滑行动力学研究大都设定了一些几何或者运动学的假设，或 者干脆引入刚性无侧滑轮胎的假设，不考虑轮胎在滚动过程中受到侧向力时会产生一定的 侧滑速度，这样的假设与实际状况偏差很大；另外有一些研究虽然也考虑了轮胎的侧向刚 度和变形，但并没有给出在实际复杂多变的滚转条件下，简单明了的轮胎侧向滑移速度的 计算方法。
[0008] 在2012年出版的SAE ARP4955A标准《Recommended Practice for Measurement of Static and Dynamic Characteristic Properties of Aircraft Tires〉〉中，也给出了 一族曲线，描述了某航天飞机的前起落架机轮在不同的垂直载荷、偏航角和速度条件下的 侧向摩擦系数变化情况，见图4,曲线6、7、8、9、10、11分别代表垂直载荷为22.2咖、44.51?、 66.7KN、89KN、111KN、133KN下所得到的机轮侧向摩擦系数，Φ为机轮的偏航角，由1 °到12°，V 为机轮滚转的线速度，单位为节，分50、75、100、180四种情况，分别用不同的图形符号表示。 所述的机轮是自由滚转状态的，因此根据偏航角和机办的滚转速度求得侧滑的速度，通过 摩擦系数和垂直载荷也能求得机轮所受的侧向力，从而建立侧向力与侧滑速度的关系，但 是这种描述方式不能反映这两者之间的数学逻辑关系，仅是试验测试结果，对不同的机轮 和工作状况没有明确的求解参考价值。
[0009]有关这一方面的估算方法是非常有意义的，该研究能够用来对飞机或者机动车的 方向和侧向滑移速度进行评估和控制，研究和分析其地面机动能力和操纵特性。如果有必 要，可以研究对防滑刹车系统及方向操纵系统进行控制律和参数做进一步的优化调整。
【发明内容】
[0010]为克服现有技术不能根据轮胎受到的侧向力来得到侧滑速度的问题，本发明提出 了一种机轮侧滑速度的估算方法。
[0011] 本发明的具体过程是：
[0012] 步骤1，确定纵轴长度a:
[0013] 确定纵轴长度a时，将主机轮产品安装在飞机主起落架上，保持飞机直线滑行，控 制飞机的滑行速度，记录飞机在不同速度V状态下机轮所承受的径向载荷和对应的机轮角 速度ω，利用公式(1)得到在对应于不同的线速度和载荷下机轮的有效滚转半径
[0015] 其中:为机轮的有效滚转半径，单位为m;
[0016] V为飞机前向线速度，单位为m/S;
[0017] ω为机轮滚转的角速度，单位为rad/s;
[0018]或者：
[0019]将主机轮安装在机轮静态加载试验台的试验轴上，进行机轮径向加载试验，记录 机轮在承受不同的径向载荷下的轮胎压缩量S，利用经验公式（la)得到斜交轮胎在对应于 不同的径向载荷下机轮的有效滚转半径利用经验公式（lb)得到子午轮胎在对应于不同 的径向载荷下机轮的有效滚转半径
[0022] 其中为机轮的有效滚转半径，单位为m;δ为轮胎压缩量，单位为m。
[0023] 利用得到的有效滚转半径^，通过公式(2)确定在机轮受到不同的径向载荷时对 应于机轮滚动半径的轮胎与地面接触域的纵轴长度a。
[0025] 其中：r为机轮在额定充气压力下不受外力时的半径;^为机轮的有效滚转半径， 单位为m;
[0026] 步骤2,确定侧向偏移量λ
[0027] 确定侧向偏移量λ时，将主机轮安装在机轮静态加载试验台的试验轴上，进行机轮 径、侧向联合加载试验，记录机轮在不同的径向和侧向联合载荷下的径向力F z、侧向力Fs、轮 轴高度h和用以平衡试验台面产生的相对机轮轴的翻转力矩，试验台所施加的反向力矩M t， 所述反向力矩Mt用加在试验轴两端的力传感器的记录值和传感器相对轴机轮中心的距离 进行综合力矩的计算间接求得。
[0028] 通过公式(3)得到在不同的径向和侧向联合载荷下地面反作用力的侧向偏移量λ;
[0030] 其中:λ为地面反作用力相对机轮中心平面的侧向偏移量，单位为m;
[0031] Mt为试验台施加的反向力矩，单位为Nm;
[0032] Fz为试验台面施加的径向力，单位为N;
[0033] Fs为试验台面施加的侧向力，单位为N;
[0034] h为轮轴相对试验台面的高度，单位为m;
[0035] 步骤3,确定机轮侧向滑移速度Vy
[0036] 利用公式(4)确定机轮在自由滚转时受到侧向力且机轮没有发生打滑时，机轮相 对地面的侧滑速度Vy。
[0038] 其中:Vy为机轮相对地面的侧滑速度。
[0039] 由此，通过对机轮机轮径向和侧向刚度相关的结构和力学参数测试，当机轮处于 自由滚转时若受到侧向力但却机轮没有发生打滑时，由于轮胎在纵向和横向都会产生呈一 定比例关系的滑移和变形，根据飞机或者机动车的前向速度、机轮所受到的径向载荷和侧 向载荷，能够利用本发明所述方法能够得到机轮没有打滑时在各种工况下相对地面的侧滑 速度。由本发明可以看出，机轮的侧滑速度与跑道的关系不大，跑道所能提供的最大摩擦系 数只能限制机轮的最大滑移速度，机轮没有打滑时影响侧滑速度的主要因素是飞机的前向 速度、机轮所受到的径向载荷、侧向载荷以及机轮的径向风度和侧向刚度。
[0040] 综上所述，利用本发明确定机轮在自由滚转状态下受到一定的侧向力，但还没有 产生打滑时的侧滑速度，能够充分利用飞机及机动车的现有设备、传感器和现有技术，得到 工程上能够信赖的飞机地面侧滑特性，并用来进行地面机动性的侧向稳定性的分析和研 究，解决了目前从事该领域技术研究中存在的严重估算偏差问题，因为目前对相关领域的 研究大都只进行了飞机的动态力学分析，并且多采用零初始速度进行处理，而实际上在飞 机没有产生侧向打滑时，即使机体所受到的侧向力是处于平衡状态的，这时的侧向加速度 为零，但是却存在不可乎略的侧向滑移速度，它的侧滑速度是与机轮所受到的径向载荷，前 向速度和机轮的侧向刚度有密切关系的，不能简单地按零初始速度进行处理。
[0041 ]利用本发明所述方法，能够得到机轮在自由滚转时受到侧向力且机轮没有发生打 滑时，轮胎相对地面的侧滑速度，据此可以进行飞机或者机动车的侧滑特性以及侧向稳定 性分析和研究，评价飞机及机动车的地面机动特性。
[0042] 根据本发明所述的机轮侧滑速度估算方法与实际应用情况相当接近，因此本发明 有很大的实用价值和普遍的适用性，可用于对飞机及机动车地面侧滑特性及侧向稳定性进 行分析和研究，促进机轮刹车控制技术的进步。
【附图说明】
[0043] 图1是地面能提供给轮胎的摩擦系数曲线；
[0044] 图2是对应于机轮滚动半径的轮胎与地面接触域；
[0045] 图3是机轮受径侧向联合载荷时对应于机轮滚动半径的轮胎与地面接触域；
[0046] 图4是组合工况下机轮自由滚转时的侧向摩擦系数；
[0047]图5是本发明的流程图。图中：
[0048] 1.轮胎的纵向摩擦系数曲线;2.地面能提供给轮胎的最大侧向摩擦系数;3.机轮； 4.机轮纵向自由滚动时对应于机轮滚动半径的轮胎与地面接触域;5.机轮纵向滚动时受侧 向力作用对应于机轮滚动半径的轮胎与地面接触域;6.垂直载荷为22.2KN下的机轮侧向摩 擦系数;7.垂直载荷为44.5KN下的机轮侧向摩擦系数;8.垂直载荷为66.7KN下的机轮侧向 摩擦系数;9.垂直载荷为89KN下的机轮侧向摩擦系数；10.垂直载荷为111KN下的机轮侧向 摩擦系数;11.垂直载荷为133KN下的机轮侧向摩擦系数。
【具体实施方式】
[0049] 实施例一
[0050] 本实施例是在通过速度测量求得机轮的有效滚动半径，来确定飞机主机轮侧滑速 度的估算方法，具体过程是：
[0051 ]步骤1，确定纵轴长度a
[0052]利用现有试验技术及安装方式，将主机轮产品安装在飞机主起落架上，保持飞机 直线滑行，控制飞机的滑行速度，记录飞机在不同速度V状态下机轮所承受的径向载荷和对 应的机轮角速度ω，利用公式（1)得到在对应于不同的线速度和载荷下机轮的有效滚转半 径。利用公式(2)确定在机轮受到不同的径向载荷时对应于机轮滚动半径的轮胎与地面 接触域的纵轴长度a。
[0054] 其中为机轮的有效滚转半径，单位为m;
[0055] V为飞机前向线速度，单位为m/S;
[0056] ω为机轮滚转的角速度，单位为rad/S;
[0058]其中:r为机轮在额定充气压力下不受外力时的半径；
[0059]步骤2,确定侧向偏移量λ
[0060]将主机轮安装在机轮静态加载试验台的试验轴上，利用现有技术进行机轮径、侧 向联合加载试验，记录机轮在不同的径向和侧向联合载荷下的径向力Fz、侧向力Fs、轮轴高 度h和用以平衡试验台面产生的相对机轮轴的翻转力矩，试验台所施加的反向力矩M t，所述 反向力矩Mt也能够用加在试验轴两端的力传感器的记录值和传感器相对轴机轮中心的距 离进行综合力矩的计算间接求得，利用得到的已知量，通过公式(3)得到在不同的径向和侧 向联合载荷下地面反作用力的侧向偏移量λ;
[0062]其中:λ为地面反作用力相对机轮中心平面的侧向偏移量，单位为m;
[0063] Mt为试验台施加的反向力矩，单位为Nm;
[0064] Fz为试验台面施加的径向力，单位为N;
[0065] Fs为试验台面施加的侧向力，单位为N;
[0066] h为轮轴相对试验台面的高度，单位为m;
[0067] 步骤3,确定机轮侧向滑移速度Vy
[0068] 利用公式(4)能够确定机轮在自由滚转时受到侧向力且机轮没有发生打滑时，机 轮相对地面的侧滑速度Vy。
[0070] 其中:Vy为机轮相对地面的侧滑速度
[0071] 由此，通过对机轮机轮径向和侧向刚度相关的结构和力学参数测试，当机轮处于 自由滚转时若受到侧向力但却机轮没有发生打滑时，由于轮胎在纵向和横向都会产生呈一 定比例关系的滑移和变形，根据飞机的前向速度、机轮所受到的径向载荷和侧向载荷，利用 本发明所述方法能够得到机轮没有打滑时在各种工况下相对地面的侧滑速度。由本发明能 够看出机轮的侧滑速度与跑道的关系不大，跑道所能提供的最大摩擦系数只能限制机轮的 最大滑移速度，机轮没有打滑时影响侧滑速度的主要因素是飞机的前向速度、机轮所受到 的径向载荷、侧向载荷以及机轮的径向风度和侧向刚度。
[0072]实施例二
[0073]本实施例是在通过静态测量，利用经验公式求得机轮的有效滚动半径，来确定飞 机主机轮侧滑速度的估算方法，具体过程是：
[0074]步骤1，确定纵轴长度a
[0075]将主机轮安装在机轮静态加载试验台的试验轴上，利用现有技术进行机轮径向加 载试验，记录机轮在承受不同的径向载荷下的轮胎压缩量δ，利用经验公式(la)得到斜交轮 胎在对应于不同的径向载荷下机轮的有效滚转半径利用经验公式（lb)得到子午轮胎在 对应于不同的径向载荷下机轮的有效滚转半径^，再利用公式（2)确定在机轮受到不同的 径向载荷时对应于机轮滚动半径的轮胎与地面接触域的纵轴长度a。
[0078] 其中为机轮的有效滚转半径，单位为m;
[0079] δ为轮胎压缩量，单位为m;
[0081]其中:r为机轮在额定充气压力下不受外力时的半径；
[0082] 步骤2,确定侧向偏移量λ
[0083]将主机轮安装在机轮静态加载试验台的试验轴上，利用现有技术进行机轮径、侧 向联合加载试验，记录机轮在不同的径向和侧向联合载荷下的径向力Fz、侧向力Fs、轮轴高 度h和用以平衡试验台面产生的相对机轮轴的翻转力矩，试验台所施加的反向力矩M t，所述 反向力矩Mt也能够用加在试验轴两端的力传感器的记录值和传感器相对轴机轮中心的距 离进行综合力矩的计算间接求得，利用得到的已知量，通过公式(3)得到在不同的径向和侧 向联合载荷下地面反作用力的侧向偏移量λ;
[0085] 其中:λ为地面反作用力相对机轮中心平面的侧向偏移量，单位为m;
[0086] Mt为试验台施加的反向力矩，单位为Nm;
[0087] Fz为试验台面施加的径向力，单位为N;
[0088] Fs为试验台面施加的侧向力，单位为N;
[0089] h为轮轴相对试验台面的高度，单位为m;
[0090] 步骤3,确定机轮侧向滑移速度Vy
[0091] 利用公式(4)确定机轮在自由滚转时受到侧向力且机轮没有发生打滑时，机轮相 对地面的侧滑速度Vy。
[0093] 其中:Vy为机轮相对地面的侧滑速度
[0094] 由此，通过对机轮机轮径向和侧向刚度相关的结构和力学参数测试，当机轮处于 自由滚转时若受到侧向力但却机轮没有发生打滑时，由于轮胎在纵向和横向都会产生呈一 定比例关系的滑移和变形，根据飞机的前向速度、机轮所受到的径向载荷和侧向载荷，利用 本发明所述方法得到机轮没有打滑时在各种工况下相对地面的侧滑速度。由本发明可以看 出机轮的侧滑速度与跑道的关系不大，跑道所能提供的最大摩擦系数只能限制机轮的最大 滑移速度，机轮没有打滑时影响侧滑速度的主要因素是飞机的前向速度、机轮所受到的径 向载荷、侧向载荷以及机轮的径向风度和侧向刚度。
【主权项】
1. 一种机轮侧滑速度的估算方法，其特征在于，具体过程是： 步骤1，确定纵轴长度a: 利用公式(2)确定在机轮受到不同的径向载荷时对应于机轮滚动半径的轮胎与地面接 触域的纵轴长度a;其中:r为机轮在额定充气压力下不受外力时的半径;。为机轮的有效滚转半径， 单位为m; 步骤2,确定侧向偏移量λ 通过公式(3)得到在不同的径向和侧向联合载荷下地面反作用力的侧向偏移量λ;其中：λ为地面反作用力相对机轮中屯、平面的侧向偏移量，单位为m;Mt为试验台施加的 反向力矩，单位为Nm;Fz为试验台面施加的径向力，单位为N;Fs为试验台面施加的侧向力，单 位为N;h为轮轴相对试验台面的高度，单位为m; 步骤3，确定机轮侧向滑移速度Vy 利用公式(4)确定机轮在自由滚转时受到侧向力且机轮没有发生打滑时，机轮相对地 面的侧滑速度Vy;(4) 其中:Vy为机轮相对地面的侧滑速度。2. 如权利要求1所述机轮侧滑速度的估算方法，其特征在于，确定纵轴长度a时，将主机 轮产品安装在飞机主起落架上，保持飞机直线滑行，控制飞机的滑行速度，记录飞机在不同 速度V状态下机轮所承受的径向载荷和对应的机轮角速度ω，利用公式（1)得到在对应于不 同的线速度和载荷下机轮的有效滚转半径(1) 其中:。为机轮的有效滚转半径，单位为m;V为飞机前向线速度，单位为m/S; ω为机轮滚转的角速度，单位为rad/S。3. 如权利要求1所述机轮侧滑速度的估算方法，其特征在于，确定纵轴长度a时，或者将 主机轮安装在机轮静态加载试验台的试验轴上，进行机轮径向加载试验，记录机轮在承受 不同的径向载荷下的轮胎压缩量S，利用经验公式（la)得到斜交轮胎在对应于不同的径向 载荷下机轮的有效滚转半径利用经验公式（lb)得到子午轮胎在对应于不同的径向载荷 下机轮的有效滚转半径其中:。为机轮的有效滚转半径，单位为m; δ为轮胎压缩量，单位为m。4. 如权利要求1所述机轮侧滑速度的估算方法，其特征在于，确定侧向偏移量λ时，将主 机轮安装在机轮静态加载试验台的试验轴上，进行机轮径、侧向联合加载试验，记录机轮在 不同的径向和侧向联合载荷下的径向力Fz、侧向力Fs、轮轴高度h和用W平衡试验台面产生 的相对机轮轴的翻转力矩，试验台所施加的反向力矩Mt，所述反向力矩Mt用加在试验轴两端 的力传感器的记录值和传感器相对轴机轮中屯、的距离进行综合力矩的计算间接求得。
【文档编号】B64F5/00GK106081158SQ201610450698
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年6月21日
【发明人】张谦
【申请人】西安航空制动科技有限公司